Kontrollierte Elektronenblitze

Die Photoemission, also die Emission von Elektronen aus einem Material unter Beleuch­tung, hat die Ent­wick­lung der Quanten­mechanik ent­schei­dend voran­ge­trieben. Wissen­schaft­lern der Uni Er­langen-Nürn­berg gelang es jetzt, die Photo­emission von scharfen Metall­nadeln in zuvor nicht erreich­tem Aus­maß zu kon­trol­lieren. Für dieses Zwei-Farben-Experi­ment schickten die Forscher zunächst einen Laser­puls von nur etwa hundert Billi­ard­stel Se­kun­den Dauer durch einen Kristall. Der Kristall ver­schmilzt jeweils zwei Photonen des Laser­pulses mit­ein­ander. So entsteht zusätz­lich zum einge­strahl­ten starken Licht­puls ein weiterer schwacher Licht­puls höherer Frequenz. Das Besondere daran: Die neuen Photonen besitzen genau die doppelte Energie der ur­sprüng­lichen Photonen. In einem Inter­fero­meter trennten die Wissen­schaft­ler beide Farben und kon­trol­lieren Schwin­gungs­rich­tung, Inten­sität und Zeit­ver­zö­gerung der beiden Pulse.

Wenn die Laserpulse dann gemeinsam auf eine Wolframspitze treffen, wird Ihre Energie auf den Scheitel­punkt der Spitze konzen­triert. Dadurch ist die Elek­tronen­emis­sion auf das Ende der Spitze be­schränkt. Dabei beob­ach­teten die Forscher, dass sie durch die Zeit­ver­zöge­rung zwischen den beiden Laser­pulsen die Elek­tronen­emis­sion bei optimal ge­wählten Para­metern fast perfekt ein- und aus­schal­ten können. Das ist auf den ersten Blick über­raschend, denn es be­findet sich immer Licht­energie auf der Spitze. Es ist also die rela­tive An­kunfts­zeit der unter­schied­lich farbigen Laser­pulse, die darüber ent­scheidet, ob Elek­tronen emit­tiert werden oder nicht.

Dem Mechanismus der Kontrolle kamen die Forscher durch Vergleich der experi­men­tellen Ergeb­nisse mit Berech­nungen von Forschern der TU Wien auf die Spur: Für die Emis­sion können die Elek­tronen mit Photonen beider Pulse wechsel­wirken. Das führt zu zwei domi­nanten Emis­sions­wegen, wobei die Zeit­ver­zöge­rung zwischen den Pulsen be­stimmt, ob diese beiden Wege zu­sammen oder gegen­ein­ander arbeiten. Die Emis­sion wird durch Quanten-Pfad-Inter­ferenz ver­stärkt oder unter­drückt.

Scharfe Metallspitzen dienen seit langem in höchst­auf­lösenden Elek­tronen­mikro­skopen als nahezu punkt­förmige Elek­tronen­quelle. Basie­rend auf den Ergeb­nissen dieses Experi­ments hoffen die Forscher zu­künftig komplexe Elek­tronen­pulse zu er­zeugen, die für zeit­auf­ge­löste Elek­tronen­mikro­skopie von Bedeu­tung sein könnten. Auch für Grund­lagen­unter­suchungen der Kohä­renz an Ober­flächen sind die experi­men­tellen Ergeb­nisse von Inte­resse, da die Ober­fläche der Nano­struktur beson­ders gut kon­trol­lier­bar ist und außer­dem die Nano­spitzen durch ihre kleinen Dimen­sionen zu außer­ge­wöhn­lich klaren Mess­signalen führen.

FAU / RK